Słabe i mocne strony lutowania laserowego

Na początek trochę definicji, samo słowo LASER weszło na dobre do naszych słowników i niewiele osób pamięta, że jest to akronim wyrazów: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. W tłumaczeniu na język Polski: wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. W procesie lutowania elektroniki wykorzystuje się głównie diody laserowe „High Power”, które w odróżnieniu od diod CO2 i Nd:YAG, mają mniejszą długość fali co umożliwia im lepsze nagrzewanie metali przy słabszym nagrzewaniu materiałów organicznych do których możemy zaliczyć większość PCB i innych substratów. Wszystkie dostępne na rynku rozwiązania laserowe na bieżąco mierzą temperaturę i sterują mocą wiązki na podstawie pomiaru. W tej dziedzinie nie wszystkie rozwiązania oferują tak wysoką kontrolę, jakiej byśmy się spodziewali, ale o tym nieco później. Dlaczego LASER ? Istnieje kilka aplikacji, w których klasyczne metody lutowania nie mogą być zastosowane lub ich stosowanie jest bardzo utrudnione. Do takich przypadków możemy zaliczyć: 1) Wykorzystanie materiałów wrażliwych na temperaturę 2) Zbyt mało miejsca na operacje grotem/podejście selektywem 3) Lutowanie materiałów łatwo rozpuszczalnych w cynie (cienkie złote/srebrne klisze) Oprócz wymienionych powyżej problemów, głównym powodem zainteresowania laserami w branży jest fakt, iż umożliwiają one bardzo precyzyjne i bezkontaktowe lutowanie. Lutowanie w tej technologii nie nagrzewa tak produktów i mogą one być przekazywane szybciej między poszczególnymi etapami bez dodatkowego chłodzenia lub buforowania, co za tym idzie możemy inaczej projektować procesy skracając całkowity czas produkcji. Na rynku dostępne są lasery o średnicy punktu skupienia od 0,2 mm do kilku mm, co na chwilę obecną umożliwia lutowanie większości elementów i ich wyprowadzeń. Powszechnie stosuje się diody laserowe o mocy 30-60 Wat, jednak spotyka się systemy o większej wydajności sięgającej ponad 100 Wat. Czas lutowania jest zależny od mocy całej głowicy i parametrów lutowanych elementów. W zależności od aplikacji proces lutowania jednego wyprowadzenia trwa od 0.6-1.5 sekundy dla SMT do kilku sekund dla wyprowadzeń o większej pojemności cieplnej. Mimo wysokiej mocy procesy lutowania laserowego również wymagają grzania wstępnego. Główne zalety Wspomniana poprzednio precyzja systemu laserowego. Pomiar temperatury i analiza przez oprogramowanie umożliwia korekcję mocy diod, a w większości rozwiązań możemy w czasie rzeczywistym obserwować temperatury na ekranie komputera w postaci tablic lub wykresów. Obszar lutowania jest niewielki – szybko się nagrzewa i szybko chłodzi - możemy stosować inne niż standardowe stopy - na przykład wysokotopliwe 96.8Au 3.2Si (Wykorzystywane dla elektroniki branży paliw kopalnych, gdzie urządzenie musi przejść testy : nie mniej niż 500 godzin w temperaturze pracy 300 stopni Celsjusza). Poza tym lutowanie laserem jest bardzo czystym procesem. W procesie lutowania oprócz cyny, dodanym do niej topnikiem i powierzchniami lutowanymi nie ma żadnych innych obiektów. Nie mamy utlenionych pozostałości z grotów, zgarów z fali cyny czy też spalonych drobin topników. Nie występuje zagrożenie uszkodzenia okolicy punktów lutowniczych przez nieuwagę operatora. Pozostając w temacie zgarów i grotów, systemy laserowe w porównaniu do klasycznych nie wymagają czyszczenia i mogą okazać się tańsze w utrzymaniu. Nie potrzebujemy wymieniać grotów, utylizować zgarów czy też poświęcać czasu na czyszczenie całych urządzeń – skracamy przestoje konserwacyjne – obniżamy koszty. Ponadto w procesach lutowania elementów przewlekanych uzyskuje się większy uzysk przy wydajności porównywalnej z lutowaniem selektywnym. Wyższą jakość zapewnia nam chociażby brak zwarć między wyprowadzeniami, co w rozwiązaniach klasycznych występuje albo wymusza użycie specjalnych dysz, które również się zużywają lub wymagają czyszczenia. Dodatkowo wykorzystanie laserów w przedsiębiorstwie ma też swoją wartość marketingową, gdyż laser jest kojarzony z postępem i innowacyjnością. Praktyczne wykorzystanie lutowania laserami Dostępne są urządzenia do laserowego lutowania elementów, które właśnie dzięki swojej precyzji mogą lutować wyprowadzenia niedostępne dla klasycznych agregatów selektywnych. W rozwiązaniu laserowym spoiwo podawane w postaci drutu lutowniczego jest dozowane i podgrzewane wiązką z diod wysokiej mocy w punkcie lutowania. Kolejną bardzo interesującą aplikacją laserów są urządzenia do „reworku”, które w bardzo bezpieczny i kontrolowany sposób pozwalają odlutować i przylutować elementy bez konieczności maskowania okolicy obszaru roboczego. Modele laserowych stacji „rework” mają do czterech głowic, dzięki czemu nie są ograniczone tylko do elementów o widocznych wyprowadzeniach. Skierowanie kilku wiązek laserowych i nagrzewanie obudowy umożliwia przerób obudów QFN, BGA i innych. Inną ciekawą maszyną, w którą możemy się zaopatrzyć jest hybryda automatu „Pick and Place” i urządzenia do lutowania laserowego. Elementy pobiera i układa jeden zestaw roboczy, a lutowanie przeprowadza bezpośrednio po ułożeniu wszystkich elementów drugi zestaw ramion. Wydajność przy standardowych aplikacjach jest niska, jednak przy projektach, na których lutujemy kilka punktów lub w produkcji modułów jest to rozwiązanie jak najbardziej wydajne. Słabe strony lutowania laserem oraz na co zwrócić uwagę Wspomniane na wstępie dynamiczne odczyty temperatury z powierzchni lutowanych nie zawsze są tak dokładne jak byśmy zakładali. W czasie bardzo krótkiego procesu lutowania urządzenie próbkuje powierzchnię starając się pomierzyć temperaturę, co w zależności od producenta sprzętu i jego rozwiązań może być mniej lub bardziej wiarygodne. Niektórzy producenci korzystają z pirometrów, dla których ważny jest kolor lutownego substratu i trzeba go określić przy programowaniu. Dlatego warto zainteresować się tym aspektem urządzenia przed zakupem. Powinniśmy przeprowadzić testy na własnych produktach zanim zdecydujemy się na konkretnego producenta. Należy szczególnie zwrócić uwagę na stop/pastę, jakiej najczęściej używamy oraz na wykończenie płytek i wspomniany wcześniej kolor laminatów. Jeżeli chodzi o pastę, musimy przetestować jak zachowuje się podczas intensywnego podgrzania, czy nie występują eksplozje topnika, separacja kulek lub też nieprawidłowe formowanie lutów. Bardzo rzadko, ale może się zdarzyć, że wykorzystywany przez nas stop w fazie rozpływu tworzy idealnie lustrzane powierzchnie i będzie rozpraszał wiązkę laserową. Na powstawanie wyżej wymienionych wad może mieć wpływ kształt padów i/lub przelotek, dlatego testujmy na własnych laminatach. Dodatkową sprawą, o którą warto zapytać jest kompensacja zużycia diod. Diody laserowe z czasem tracą swoje parametry i trzeba sprawdzić czy producent urządzenia zadbał o odpowiednie moduły diagnostyczne, aby takie ubytki mocy niwelować. Warto przy też okazji zorientować się w cenach modułów laserowych danego producenta i zapytać o szacowany czas życia w godzinach roboczych. Obecnie dostępne systemy wspierają produkcję „high mix/low volume” szybkie czasy przezbrojenia na krótkie partie i bardzo elastyczna praca całych systemów są tam atutami. W masowej produkcji, oprócz wymienionych wyżej trudnych do lutowania projektów rozwiązania klasyczne będą wystarczające. Wyjątkiem są oczywiście produkty zaprojektowane z myślą o wykorzystaniu lutowania laserowego. Na koniec, pozornie banalna uwaga, ale musimy pamiętać o niezakłóconej żadnymi przeszkodami wiązce, która musi trafić od lasera do punktu lutowniczego. W rozwiązaniach selektywnych nie jest to problemem, ale przy produkcji modułów możemy zapomnieć to uwzględnić. Należy sprawdzić czy urządzenie umożliwia podejście głowicą laserową z odpowiedniego dla nas kąta. Rynek jest bogaty w oferty tego typu urządzeń i należy się spodziewać, że wraz ze wzrostem popularności wzrośnie również liczba konstruktorów tworzących projekty z myślą o lutowaniu laserowym, oraz z rozwojem samych urządzeń i dalszym doskonaleniem tej technologii. Jako ilustrację dla artykułu załączamy bardzo ciekawy film, prezentujący zastosowanie lutowania laserowego w aplikacji 3D MID © Hacker Automation, illustration purposes only Autor: JMR Macie własne doświadczenia z tym problemem? Czytaliscie coś ciekawego? Napiszcie o tym w komentarzach lub skontaktujcie sie z nami!